某城際列車齒輪箱開裂的原因

趙麗娟

(常州工業職業技術學院，常州 213164)

0 引 言

城際列車傳動齒輪箱主要用于實現電機的動力傳輸，驅動車輛前進[1]。作為保證列車持續穩定運營的關鍵零部件和牽引系統的重要設備，齒輪箱驅動裝置的安全性、穩定性和可靠性直接影響著列車的正常運行[2]。然而，傳動齒輪箱一直以來存在的開裂與滲油問題尚未完全解決，這不僅會影響交通運輸環境，浪費大量人力物力，還會造成齒輪的報廢。

某城際列車齒輪箱在檢修時發現，合箱面轉角外側出現少量滲油現象，擦試油污后，上下箱體上存在目視可見的貫穿裂紋。該齒輪箱材料為AlSi7Mg0.3鑄造鋁合金，制造工藝為鑄造→熱處理→切削加工→成品組裝。齒輪箱運行約3 a，里程約3×105km。為查明該齒輪箱的開裂原因，作者對其進行了理化檢驗和分析，并提出了改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1(a)可見，裂紋位于齒輪箱上下箱體合箱面轉角位置，貫穿箱壁，長約200 mm。將裂紋人工打開，由圖1(b)可以看出，斷面上無明顯的鑄造缺陷，裂紋起源于箭頭所指位置，并不斷向基體擴展。

圖1 開裂齒輪箱及人工打開裂紋后的斷口宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of cracked gearbox (a) and crack fracture (b) after manual opening

1.2 化學成分

在齒輪箱裂紋附近取樣，依據GB/T 20975.25—2008,采用iCAP6300型電感耦合等離子體發射光譜儀進行化學成分分析。由表1可以看出，該齒輪箱各元素含量符合DIN EN 1706—2013標準對EN AC-AlSi7Mg0.3合金的要求，箱體成分合格。

表1 齒輪箱的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of gearbox (mass) %

1.3 顯微組織

在齒輪箱裂紋源處和未開裂部位分別截取金相試樣，經打磨、拋光后，用0.5%(質量分數)氫氟酸水溶液進行腐蝕，采用Olympus GX71型倒置光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖2可見，未開裂區的組織由α-Al基體和點狀共晶硅組成，晶粒較細小；而裂紋源區的顯微組織由α-Al基體和長條狀共晶硅組成，共晶硅呈網狀分布且網格間距較大。有研究表明，當鑄造鋁合金內部缺陷較少時，其裂紋萌生于硅顆粒/基體界面和尺寸較大硅顆粒的開裂處，并沿晶界擴展[3-4]。因此，粗大的共晶硅相成為齒輪箱裂紋萌生的誘因。

圖2 齒輪箱顯微組織Fig.2 Microstructures of gearbox: (a) uncracked area and (b) crack source area

與齒輪箱生產廠家溝通得知，裂紋源上部的合箱面位置為鑄造冒口部位。在鑄造凝固時，由于冒口長時間過熱，該處晶粒較為粗大，并且共晶硅在晶間團聚長大呈條狀，組織出現變質衰退現象[5-6]，冒口位置的力學性能偏低。

1.4 微觀形貌和微區成分

將人工打開后的裂紋斷口進行超聲清洗，然后采用FEI-Sirion 200型場發射掃描電鏡(SEM)觀察微觀形貌。由圖3可見，裂紋表面存在腐蝕產物覆蓋層，對位置1處進行能譜(EDS)分析，發現其中含有氧、硫、氯強腐蝕性元素(圖4)。裂紋源附近則存在大量與主裂紋近乎平行的細小裂紋，裂紋尾部沿晶界擴展。

圖3 裂紋表面的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of crack surface: (a) corrosion products and (b) enlargement near crack source

圖4 腐蝕產物(圖3中位置1)的EDS譜Fig.4 EDS spectrum of corrosion products (position 1 in Fig.3)

1.5 力學性能

在齒輪箱裂紋源附近及未開裂區分別截取尺寸為φ14 mm×90 mm的試樣，按照GB/T 228.1—2010加工成拉伸試樣，采用Instron 5982型材料試驗機進行室溫拉伸試驗，結果如表2所示。可見齒輪箱裂紋源附近的各項力學性能均低于未開裂區的；但根據GB/T 9438—2013相關規定，本體試樣的抗拉強度和屈服強度不低于標準值的70%，斷后伸長率不低于標準值的50%即可，可見齒輪箱裂紋源附近的力學性能仍是合格的。

表2 齒輪箱不同區域的力學性能Table 2 Mechanical properties of different areas of gearbox

2 開裂原因分析

該齒輪箱的化學成分和力學性能均符合標準規定，但裂紋源處顯微組織出現明顯變質衰退現象。通過有限元計算模擬該齒輪箱服役工況，由圖5可以看出開裂處承受的應力僅為3.06 MPa左右，此應力水平遠低于齒輪箱裂紋源附近的屈服強度(214 MPa)，不會導致其過載開裂。而由上述理化檢驗結果可知，齒輪箱裂紋表面存在腐蝕產物，并且裂紋源附近存在大量沿晶擴展的細小裂紋，這符合應力腐蝕開裂特征。

圖5 齒輪箱應力分布有限元計算云圖Fig.5 Finite element calculation nephogram of gearbox stress distribution

金屬構件發生應力腐蝕開裂需具備3個條件[7]：拉伸應力、特定的腐蝕介質環境以及材料具有應力腐蝕敏感性。設備組裝時，齒輪箱剛性懸掛于電機與空心軸套上，處于一種非自由組裝狀態，其合箱面轉角位置受拉或受壓而產生內應力[8]，具備了應力腐蝕的第一個條件。對齒輪箱的工作環境進行調查發現，該城際列車長期在我國沿海地區運營，基本環境特征為年平均相對濕度高、空氣中氯離子較多、大氣腐蝕性較強[9]；同時，齒輪箱組裝時需要在上下箱體結合面涂膠，結合面之間存在一定間隙，使得外界空氣與裸露合金直接接觸，這為齒輪箱的應力腐蝕開裂提供了腐蝕介質環境，從而具備了應力腐蝕的第二個條件。在含有較低濃度氯離子的溶液中，鋁合金表現出明顯的晶間腐蝕敏感性和應力腐蝕敏感性，短時間內主要表現為點蝕和晶間腐蝕[10]，隨著時間的延長和加載應力的增大則開始出現典型的應力腐蝕開裂。綜上，失效齒輪箱具備了應力腐蝕開裂的3個條件，在服役中發生開裂。另外，齒輪箱合箱面為鑄造冒口位置，組織出現變質衰退，力學性能降低，這進一步促進了裂紋的萌生及擴展。

3 結論及建議

(1) 該齒輪箱失效形式為應力腐蝕開裂。組裝時齒輪箱剛性懸掛，導致合箱面轉角位置產生內應力，成為裂紋源；齒輪箱服役環境潮濕且含有氯離子，合箱面為鑄造冒口位置，組織出現變質衰退，這進一步促進了裂紋的萌生及擴展。

(2) 建議優化齒輪箱結構設計，通過加大圓角過渡、設置防裂筋等措施來降低應力；改進鑄造工藝，采用冷鐵激冷細化關鍵部位的晶粒，提升齒輪箱材料的安全系數；優化齒輪箱組裝涂膠工藝，減小合箱面間隙，以降低腐蝕性氣體對齒輪箱的影響。